地球是怎么起源与演化的？

地球是怎么起源与演化的？

每次一看到这种问题就好烦。这年头讨论演化论的时候，发现有个现象，就是似乎大家都觉得自己都很懂演化论。我在博士第一年上地球动力学这门课的时候，老师的口头禅就是，“你如果做地球/月球/类地行星演化论，先把隔壁那座山的演化历史说明白”。其实就是一个小山坡，要想弄清楚他的演化历史，也要做非常巨大的工作。

地质演化的一个十分关键的问题就是要从大量的观测证据中归纳出一般性的演化规律。其中确切的证据这个东西是非常关键的，其次就是演化的模型必须符合一般的物理规律。完成这个课题，需要大量的知识/证据/数据的积累+必要的数值模拟。其中数值模拟是近二十年随着计算机技术的发展，才逐步形成的一套方法，其目的就是避免早期地质学家仅仅依靠岩石样品分析、构造遗迹研究，直接进行推断所带来的问题。

研究地球和太阳系的历史，推荐预先阅读一些教材：

D. Turcotte and G. Schubert. Geodynamics (the 2nd edition). Cambridge, 2002.

本书第一章详细回顾了过去50年关于各种内生地质学现象（endogenic activities），如板块构造，火山运动，地幔柱等，较为公认且权威的解释。2-5章主要讨论了现代地球物理中对于了解地球内部结构及演化的基本方法。第6章开始主要讨论岩石在高温下的塑性形变，线性rheology和非线性rheology，地幔对流理论等等。

G. Schubert, D. Turcotte, P. Olson. Mantle Convection in the Earth and Planets. Cambridge, 2001.

本书是地球动力学方面最为权威的一本教材，作者Gerald Schubert为UCLA终身教授，美国科学院院士，地幔对流理论及地球热演化理论的创始人之一。其中对于地幔柱（mantle plumes）的基本理论，可以参考本书的第六章。地幔对流的启动（即流体的动力不稳定性）、对流的模式，可以参考第七章和第八章的讨论。

A. P. Douce. Thermodynamics of the Earth and Planets. Cambridge, 2011.

本书第2-3章对于行星形成与演化的能量来源做了非常详细的说明，且给出了比较详细的热力学理论解释。目前对于行星演化的研究主要是借由热力学为媒介完成的，相应的研究方向被称为行星热演化(thermal evolution）。

I. De Pater and J. Lissauer. Planetary Sciences (the 2nd edition). Cambridge, 2012.

这本书包括了太阳系科学和行星科学的大部分主干内容。建议全面更新一下您对于这方面的理解，因为在您后面的解释可以发现，您的知识尚且停留在上世纪80年代。

---- 以在下所知来讨论一下这个问题 ----

目前关于地球和太阳系起源的基本理论是拉普拉斯-康德星云假说+微型天体聚合（accretion）假说+岩浆洋假说。太阳系普遍认为是第二代或第三代恒星系，最初只是一颗很久以前超新星爆炸或者两颗超新星撞击所形成的一大片星际介质。太阳系中含有铁（比如地核的主要成分是铁和镍）和金，铁元素必然是由于恒星的核聚变反应而形成，而金的形成的条件更为苛刻，通常认为是由两个中子星撞击时所产生的超高压强所产生。而第一代恒星系（即宇宙大爆炸初期形成的恒星系）通常不具有这两种重元素。

后来，附近的某个超新星爆炸形成的冲击波导致这一团星际介质出现坍缩并聚合成为太阳。聚合过程中产生的高压触发了太阳核聚变反应。太阳核聚变反应启动时，原先的一些星际尘埃被太阳风的辐射压强推离太阳。弥漫于太阳系中。行星的形成则和这些星际尘埃的自发聚合有关。而这一过程是目前太阳系演化中的重点课题，而且尚未形成定论。

在距离太阳4 AU内，由于温度较高，氢氦水等挥发性物质不能以凝聚态形式存在，因而形成的行星主要以岩石质行星为主。在距离太阳4 AU以外，由于温度较低，氢氦水等挥发性物质可以以凝聚态形式存在，所以形成的行星为气体行星。

对于类地行星而言，在行星聚合的过程中，由于大量重力势能的释放，原始行星通常处于一个熔融的状态（岩浆洋，magma ocean）。之后，岩浆洋中的金属铁、镍和亲铁元素首先下沉到中心形成核，然后岩浆开始由于冷却开始结晶分异：橄榄石、辉石等密度较大的矿物会沉入深部并堆积成为今天的幔，而斜长石则由于较低的密度上浮，形成今天的壳。下图展示的是月球岩浆洋的结晶序列。当然月球的形成机制和地球及其他类地行星有细微的不同，但目前的证据均表明，月球和类地行星都存在一个较重的金属核，所以一定经历过岩浆洋和分异过程。

Time to Solidify an Ocean of Magma

地震是研究行星内部结构的主要手段。但由于目前数据的限制，我们只知道月球和地球的内部结构。地球内部结构的参考模型是著名的PREM模型（Dziewonski and Anderson, 1981），揭示了地球内部的核-幔-壳的三层结构，其中幔层中存在一个660 km深度上的波速不连续面，通畅被认为是矿物的相变所致。近几年的地震波阵列反演技术的应用，人们又发现核幔边界处存在一个熔融区（D'' layer），这个区域可能和地核较高的温度有关(Herlund and Tackley, 2007）。

月球的内部结构依然遵循了核-幔-壳的传统分层结构（Hood, 1983的review paper）。同时，近年Weber et al. (2011）利用地震阵列技术反演了月球内部的结构，分析出了月球深部的精细结构，除了一个分层的月球核以外，在外核周围还有一层大约90 km厚的部分熔融区。

而远端气体行星（木星、土星）的主要成分为氢元素和氦元素，目前猜测巨行星的形成也遵循类似的微星体聚合->分异模式。但因为缺少针对巨行星的重力场数据，所以相关研究仅停留于猜想阶段。这方面大家可以多关注一下Cassini和Juno探测器的相关结果。

早期聚合过程中的残留碎片则漂浮在太阳系中，也就是今天的陨石、小行星等小型天体。通常，只要没有经过分异的陨石、小行星，通常认为是代表了太阳系的原始成分，也是追溯太阳系演化历史的主要媒介。区分陨石和小行星是否经过分异，一般而言主要是以（1）其中是否包含大量的硫，以及（2）稀土元素（REE）丰度谱上是否呈现明显的Eu异常，为基本判定依据。从目前的同位素定年上得到的结果，太阳系的年龄大致在46亿年左右。而地球形成的时间也差不多在太阳系形成以后的几百万年内。

----------

地震的产生和俯冲大洋板块和上部大陆板块之间的摩擦有关。在整个俯冲过程中，大量的应力在板块接触面上积累形变，并且在很随机的时间后释放，导致地震。板块俯冲所产生地震的区域又被称为Wadati-Benioff区域。离我们最近的俯冲构造区（subduction zone）位于日本。其次还有意大利，位于亚欧板块和非洲板块的俯冲构造带。

当俯冲板块嵌入地球深部后，由于温度升高，岩石整体呈现塑性而不是弹性，从而减弱了板块和岩石圈之间的摩擦及应力累积。目前大多数地震的源头一般在岩石圈内部。其次，迄今为止探测的震源深度一般不超过660 km，一般认为是俯冲板块无法嵌入下地幔所致，但也有一部分认为，俯冲板块可能插入了下地幔，但是由于温度过高，板块以及附近的地幔物质呈现塑性，因而无法产生相应地应力积累。

火山活动主要和地幔的熔融有关，上面那张图也展示了两种主要的火山机制：热点火山（host-spot volcanism）和弧后火山（back-arc volcanism）。热点火山主要产生自地幔柱（图中靠右，固体地幔对流中上涌的物质流）。通常海岭/洋中脊的形成和地幔柱有关，在上涌的部分会产生减压熔融，而岩浆的密度会比周围的围岩要低，所以会因为浮力的原因向表面运动。最典型的例子就是夏威夷。

弧后火山主要发生于进入地球深部的俯冲板块。主要产生机理是，俯冲的大洋板块中含有大量的水，可以降低岩石的固相线，在进入地球深部后发可以生熔融，进而产生火山活动。

参考书：D. Turcotte and G. Schubert. Geodynamics (the 2nd edition). Cambridge, 2002.

----------

金星由东向西的自转，目前的解释有：

（1）金星大气和金星表面的摩擦，使得金星自转的角速度发生改变；（这个只是我听Gerald Schubert的报告的时候得来的观点，他本人似乎很支持这个理论）；

（2）陨石撞击的力矩改变了金星自转的角速度（这个也是道听途说）；

这个在下不是很了解，哪位了解的大神帮忙解释一下。

月球的形成应该是源于45-46亿年前一个火星大小的天体和地球撞击的事件。根绝Canup (2004)的模拟，这样一个天体撞击地球后，一部分上地幔物质被溅射到距离地球质心4个罗希半径的轨道上，并因为重力作用相互聚合，形成了原始月球。其核心支持论点是：只有大撞击假说才可以支持地月系较大的角动量。

----------

煤炭一般认为是远古时期的植物被后来的地质演化所掩埋后在地下高温高压的环境下进行的碳化作用而形成的。南极存在大量的煤炭，表明南极洲曾经是一个植被非常茂盛的地区。目前解释这个现象的理论基础就是板块构造学说。即在地球的某个阶段，南极洲所在的地区是一个阳光充沛的中低纬度地区。

这个相关的名词叫盘古大陆。也就是说，在33.5-17.5亿年前，地球的所有版块都是联合在一起的，之后由于版块运动，这个大陆逐渐分开。

----------

地磁产生的基本理论是“地核发电机”假说（在下的研究方向之一）。地核通常具有一个熔融的外核核一个固化的内核，外核由于内外温差而对流，进而产生定向分子电流，电流产生了磁场。

地磁翻转的主要证据来源于洋中脊附近出现的古地磁条带（即方向相反的磁场交替且平行出现于洋中脊附近的板块上）。类似的现象在火星上也有观测，被认为是古代火星存在板块运动的证据之一。

根据地核发电机理论，地磁翻转的主要原因应该是外核对流的流向导致了改变。Larson and Olson (1991)发现了地幔柱的形成、表面次生壳体的生长率和地磁翻转存在了很高的相关性，于是猜测地幔柱在形成时改变了下边界层的局部厚度，从而导致核在局部的放热速率及对流速度出现升高。之后通过某种尚未清楚的原因（有可能是流体不稳定性的快速放大），导致了地核中流体的流向出现了剧烈的变化，这个问题是目前发电机领域的前沿问题之一。

----------

生命起源的问题和核心是”有机物（主要是氨基酸）是如何产生的“。目前这个问题已经由”米勒实验“所证实，即在早期地球的自然环境下，水，一氧化碳和氨气可以自发形成多种氨基酸。其他假说包括：陨石撞击时将一部分星际中的有机物播撒到地球上。

https://zh.wikipedia.org/wiki/米勒-尤里实验

寒武纪生物大爆发是目前地质演化中的未解之谜。

生物演化不是在下的研究方向，不多说了。